Mitohondrijska DNK su male petlje DNK koje se nalaze unutar organela u stanici, mitohondrija. Mitohondrije služe kao “elektrane” stanice i vjeruje se da su potomci drevnih bakterija koje su sudjelovale u tolikoj simbiozi s drevnim stanicama da su postale integrirane u njih kao organele. Velika većina DNK kod svih životinja nalazi se u jezgri i poznata je kao nuklearna DNK, dok je mitohondrijska DNK jedina DNK koja se nalazi izvan jezgre.
Za razliku od DNK u jezgri, koja sadrži oko 20,000 gena koji kodiraju proteine u više od 3 milijarde parova baza, mitohondrijska DNK je relativno mala, sastoji se od samo 13 gena koji kodiraju proteine u 15,000-17,000 parova baza. Za razliku od nuklearne DNK, koja se sastoji od linearne DNK, mitohondrijska DNK nalazi se u obliku petlje, baš kao i DNK pronađena u bakterijama. Geni u mitohondrijima izražavaju proteine koji pomažu u izgradnji mitohondrija, iako je tijekom milijardi godina evolucije nuklearna DNK preuzela većinu uloga mitohondrijske DNK u izgradnji mitohondrija.
Za razliku od nuklearne DNK, koja prolazi kroz rekombinaciju iz generacije u generaciju zbog spolnog odnosa između muškarca i žene, mitohondrijska DNK prolazi samo rekombinaciju s DNK iz iste organele, što uvelike ograničava genetske promjene. Stoga je jedini čimbenik koji uvodi genetske promjene mutacija, a ne mutacija plus rekombinacija, kao što je slučaj s nuklearnom DNK. To čini mitohondrijsku DNK vrlo koristan genetski marker koji se može koristiti za usporedbu različitih loza, uključujući različite ljudske loze.
Analiza ljudske mitohondrijske DNK pokazala se ključnom za određivanje porijekla različitih ljudskih skupina i ranih migracijskih obrazaca ljudi diljem svijeta. Ove studije podupiru teoriju izvan Afrike, teoriju koja tvrdi da je ljudska vrsta nastala u Africi prije oko 250,000 godina, a zatim se proširila svijetom. Glavna konkurentska teorija je multiregionalna hipoteza, koja pretpostavlja da su različite ljudske rase diljem svijeta evoluirale neovisno od prekursora hominida. Zbog dokaza iz analize mitohondrijske DNK, ova hipoteza je u biti isključena.